В настоящей статье рассматривается необходимость разработки и эксплуатации контейнеров для перевозок плодоовощной продукции. Приведены требования к конструкции контейнера и предложена новая конструкция контейнера для перевозок плодоовощной продукции. Выполнены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния разработанной конструкции контейнера.
Ключевые слова: контейнер, плодоовощная продукция, конечно-элементная модель, эксплуатационная нагрузка, напряженно-деформированное состояние, прочность.
В Узбекистане за прошедшие годы последовательно осуществляется стратегия развития сельского хозяйства, направленная на обеспечение продовольственной безопасности страны. Этот подход к производству плодоовощной продукции как важной составной части всей системы жизнеобеспечения населения, поддержания его здоровья, а также создания условий занятости стал одним из основных векторов экономической и социальной политики государства.
Сегодня в республике большое внимание уделяется развитию фермерства и ежегодно производится более 17 миллионов тонн плодоовощной продукции.
Благодаря предпринимаемым системным мерам неуклонно повышается экспортный потенциал отрасли. В последние годы Узбекистан превратился в крупного экспортера высококачественной и конкурентоспособной плодоовощной продукции. Для ее обеспечения в течение всего года большое внимание уделяется вопросам переработки, хранения и транспортировки. Расширяется география экспорта продукции плодоовощеводства и виноградарства. Если ранее республика традиционно поставляла ее в основном в Россию, Казахстан и другие страны СНГ, то на сегодняшний день она из Узбекистана отгружается на рынки более 100 стран мира.
Республика Узбекистан располагает мощным транспортом, включающим в себя железнодорожный, автомобильный, авиационный, трубопроводный и речной. Главное место в перевозках занимает железнодорожный транспорт, на долю которого приходится более 60 % всего грузооборота в международном направлении.
Железнодорожные пути в Узбекистане находятся в хорошем состоянии и пригодны для эксплуатации грузовых поездов со скоростью 90 км/час, а отдельные реконструированные участки дорог позволяют набирать скорость более 100 км/час.
Наряду с проводимыми работами по обновлению и реконструкции железнодорожных путей, необходимо принять меры по оптимизации всей цепочки организации грузоперевозок. Многими экспертами отмечается, что решениями данного вопроса могут стать — широкое использование контейнеров, а также модернизация объектов инфраструктуры, локомотивного парка и подвижного состава АО «Ўзбекистон темир йўллари» [1–3].
Мелкопартионность и многообразие транспортируемой продукции плодоовощеводства обуславливает эксплуатацию таких контейнеров, в которых создавались бы условия обеспечения сохранности качества плодоовощной продукции при транспортировке их с учётом биохимического состава и микробиологической обсемененности для организации смежных перевозок — автомобильным и железнодорожным транспортом.
В связи с этим стало необходимым создать конструкцию контейнера, отвечающего установленным требованиям. Сотрудниками ТашИИТа были проведены исследования по созданию универсальных контейнеров для перевозки плодоовощной продукции.
Исследования конструкции таких контейнеров велись на основе концептуальных подходов и требований, при обеспечении следующих возможностей:
механизированной загрузки и выгрузки продукции из контейнеров;
производство погрузочно-разгрузочных операций при помощи кранов и вилочных погрузчиков;
штабелирования контейнеров в два и три яруса на складах и контейнерных площадках;
сохранения устойчивости на подвижном составе;
влагонепроницаемости для грузов, «боящихся» атмосферного воздействия.
Типы, основные параметры и размеры специализированных контейнеров для перевозки сыпучих, штучных и жидких грузов, скоропортящихся и пищевых продуктов без тары, в таре и в облегченной упаковке, на платформах и в полувагонах железных дорог, автомобилях, автопоездах, речных и морских судах и для временного хранения на складских площадках установлены с учетом требований международного стандарта [4].
По результатам проведенных исследований, с применением современных инженерных программ была разработана 3D модель конструкции контейнера с люками (рис. 1) для перевозки плодоовощной продукции. Данная конструкция контейнера была разработана на основе 20 и 40 футовых универсальных контейнеров.
Рис. 1. Общий вид 3D модели конструкции разработанного контейнера для перевозки плодоовощной продукции
Основные элементы конструкции контейнера для перевозки плодоовощной продукции выполнены из материала марки стали 09Г2С ГОСТ 19281–89, допускаемые напряжения которого составляют 295 МПа [5].
Боковые стены предлагаемого контейнера были оснащены люками с размерами 550×400 мм для осуществления естественной вентиляции перевозимых грузов. Для обеспечения прочности разработанной конструкции контейнера, места отверстий люков по периметру были усилены стрингерами углового профиля. Для получения естественной вентиляции соответствующей международным нормам целесообразнее всего расположить люки в четырех углах боковой стены, соблюдая расстояния, указанные на рис. 2.
Рис. 2. Основные размеры люка контейнера для перевозки плодоовощной продукции
Исследования напряженно-деформированного состояния разработанной конструкции контейнера для перевозки плодоовощной продукции при действии на них эксплуатационных нагрузок проводятся с использованием промышленного программного обеспечения, реализующего метод конечных элементов (МКЭ). Сущность метода и примеры его использования для различных расчетов подробно излагаются в большом количестве литературных источников [6–8].
Основные положения МКЭ заключаются в следующем.
-
Расчетная схема конструкции разбивается на составные части, называемые конечными элементами (КЭ). В конечных элементах выделяются специальные точки, называемые узлами. Перемещения или производные перемещений этих узлов принимаются за неизвестные и называются степенями свободы. Их обозначают через
. Верхний индекс обозначает номер конечного элемента (
).
Первый нижний индекс обозначает направление перемещения (
), а второй — номер узла в конечном элементе (
).
Затем в каждом конечном элементе задаются законом изменения перемещений 
между узловыми точками. Это позволяет выразить перемещения любой точки через перемещения граничных узлов и функцию координат, определяющую закон изменения перемещений между узловыми точками:
(1)
Функции 
, задающие закон изменения перемещений от узла к узлу, обычно называют функциями, или аппроксимирующими функциями. Функция формы 
непрерывна и изменяется от 1 в узле K до нуля в других узлах и за пределами элемента.
- Производится построение основной системы уравнений для определения неизвестных перемещений. Для этого вычисляется полная энергия конечного элемента. Полная энергия всей конструкции будет равна сумме энергий конечных элементов:
(2)
Производной от Э по 
называется матрица-столбец, составленная из производных от Э по перемещениям, входящим в
. Продифференцировав полную энергию Э по
и используя принцип Лагранжа, получаем:
(3)
Матрицу 
обычно называют матрицей жесткости конечного элемента в местной системе координат, 
— вектором перемещений узлов КЭ в той же системе. Если для всех элементов конструкции принять общую (глобальную) систему координат, через 
обозначить перемещения всех узлов конструкции, а матрицу жесткости 
и вектор сил 
записать в глобальной системе координат той же размерности, что 
, уравнение (3) примет такой вид:
(4)
где 
и 
– записаны в глобальной системе координат.
Тогда
(5)
где
(6)
Полученное уравнение (3) является основным для метода конечных элементов.
- Решение системы алгебраических уравнений производится методами линейной алгебры. Обычно применяют метод Гаусса, но могут быть использованы и другие методы. Ввиду высокого порядка системы уравнений расчеты проводятся с применением компьютерных технологий. В результате решения, с учетом граничных условий, находят перемещения всех узлов конструкции.
- Определение напряженно-деформированного состояния конструкции производится с помощью выражений (6) и (7).
Чтобы расчетная схема контейнера для перевозки плодоовощной продукции по возможности наиболее точно соответствовала действительному исполнению и характеру работы для описания элементов контейнера были использованы пластинчато-стержневые конечные элементы. Элементы имеют шесть степеней свободы в каждом узле: перемещения в направлении осей X, Y, Z узловой системы координат и повороты вокруг осей X, Y, Z узловой системы координат. Элементы типа масса соединялись с элементами каркаса с помощью абсолютно жестких связей. Расчетная модель конструкции контейнера для перевозки плодоовощной продукции приведена на рис. 1, а с сеткой конечных элементов приведена на рис. 3.
Рис. 3. Общий вид конечно-элементной модели разработанного универсального контейнера для перевозки плодоовощной продукции
Расчетная пластинчато-стержневая конечно-элементная модель разработанного контейнера для перевозки плодоовощной продукции включает 208392 конечных элемента и 71958 узлов.
Нагрузки, действующие на элементы контейнера в процессе погрузочно-разгрузочных, транспортных, перегрузочных и складских операций, подробно приведены во многих источниках [9–10].
При моделировании допускаемые напряжения элементов контейнера были приняты в соответствии с [3]. Для всех сталей модуль упругости принимался равным 2,1·105 МПа, а коэффициент Пуассона — 0,3.
Кинематические и силовые граничные условия при расчетах конструкции контейнера на прочность приведены на рис. 4.
Рис. 4. Кинематические и силовые граничные условия при расчетах контейнера для перевозки плодоовощной продукции
Выборочные результаты полей распределения эквивалентных напряжений в элементах контейнера показаны на рис. 5, а на рис. 6 приведены результаты полей распределения эквивалентных перемещений в элементах контейнера для перевозки плодоовощной продукции.
Рис. 5. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах контейнера для перевозки плодоовощной продукции, МПа
Рис. 6. Поля распределения эквивалентных перемещений в элементах контейнера для перевозки плодоовощной продукции, мм
По проведенным теоретическим исследованиям прочности предложенного контейнера для перевозки плодоовощной продукции установлено, что максимальные расчетные напряжения в элементах конструкции контейнера не превышают допускаемых (123,3 МПа < 295 МПа). Таким образом, выбранная конструкция контейнера по прочности соответствует требованиям при всех сочетаниях эксплуатационных нагрузок.
На основании проведенных исследований приняты технические решения разрабатываемого универсального контейнера для перевозки плодоовощной продукции.
Литература:
- Постановление Президента Республики Узбекистан от 21 декабря 2010 года № ПП-1446. Об ускорении развития инфраструктуры, транспортного и коммуникационного строительства в 2011–2015 годах.
- Постановление Президента Республики Узбекистан от 5 января 2012 года № ПП-1676 «О мерах по реализации проекта «Электрификация железнодорожного участка Мароканд — Карши» с участием Азиатского банка развития».
- Постановление Президента Республики Узбекистан от 21 февраля 2012 года № ПП-1712 «О мерах по реализации инвестиционного проекта «Электрификация железнодорожного участка Карши — Термез» с использованием займа Японского агентства международного сотрудничества».
- ГОСТ Р 53350–2009 (ИСО 668:1995) Контейнеры грузовые серии 1. Классификация, размеры и масса. Series 1 freightcontainers. Classification, dimensions and ratings.
- Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). — М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. — 317 с.
- Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. — М.: Мир, 1986. — 318 с.
- Бирюков Д. Б., Постоев В. С. Метод конечных элементов в напряжениях. — СПб.: АООТ «НПО ЦКТИ», 1999. — 187 с.
- Алямовский А. А. SolidWorks / COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. — М.: Проектирование, 2004. — 432 с., ил.
- Локшин Х. А., Сотский Н. В. Контейнеры. — М.: Транспорт, 1976. 126 с.
- Контейнерная транспортная система / Л. А. Коган, Ю. Т. Козлов, М. Д. Ситник и др.; Под ред. Л. А. Когана. 2-е изд., прераб. и доп. — М.: Транспорт, 1991. — 254 с.
